血液代謝組學炎癥相關的線粒體功能失調(diào)慢加急性肝衰竭的潛在機制

今天和大家分享一篇發(fā)表在Journal of Hepatology（IF=18.946）的文獻：Blood metabolomics uncovers inflammation-associated mitochondrial dysfunction as a potential mechanism underlying ACLF。

百趣代謝組學文獻解讀，慢加急性肝衰竭(ACLF)常發(fā)生于肝硬化患者中，特點是全身炎癥和器官功能衰竭。全身性炎癥需消耗非常高的能量，易導致器官功能衰竭。ACLF與六大器官系統(tǒng)(肝、腎、腦、凝血、循環(huán)和呼吸) 的不同組合,引發(fā)不同臨床表型。在大多數(shù)ACLF病例中，由病原相關分子模式(PAMPs)激活的天然免疫細胞被認為在誘導全身炎癥中起主要作用。病原相關分子模式(PAMPs)是模式識別受體（PRR）識別結合的配體受體，主要是指病原微生物表面某些共有的高度保守的分子結構。然而，ACLF在組織和細胞水平促進器官衰竭的內(nèi)在機制尚不清楚。了解這些機制，不僅可以促進對ACLF病理生理學的認識，還能尋找新的器官功能衰竭生物標志物并提供治療靶點。

本文采用LC-MS檢測技術對181例ACLF患者、650例肝硬化急性失代償(AD)患者、43例代償期肝硬化（CC）患者和29例健康人（HS）的血清進行非靶向代謝組學研究（圖1）。

圖1 文章整體思路

1 ACLF與血液代謝物增加有關
圖2A表明HS、CC、AD和ACLF患者的組間存在明顯的差異，說明血液代謝物是導致從CC到ACLF的肝病嚴重程度相對于HS變化的主要因素。層次聚類分析可以看出ACLF中大部分代謝物的濃度較高，可以將這些患者與AD和CC患者區(qū)分開來(圖2B)，表明與ACLF相關代謝物的相對含量升高。圖2C也說明了這一特點，從CC到AD和ACLF顯著上調(diào)的代謝物數(shù)量逐漸增加，而在三組兩兩比較中，下調(diào)代謝物的數(shù)量沒有明顯差異。百趣代謝組學文獻解讀，以ACLF/HS的結果為參照，將代謝物的變化幅度從最高到低排列，繪制克利夫蘭點圖(圖2D)，放大最上面的50個代謝物可以看到，ACLF的增加幅度都大于另外兩個患者組，絕大部分代謝物在AD中升高，并在ACLF中達到頂峰。在注釋到的137個代謝物中，從CC到AD和ACLF差異代謝物的數(shù)量明顯增加且絕大部分差異代謝物的相對含量逐漸升高。
 

圖2 代謝物的統(tǒng)計分析

2 血液代謝物構成不同等級的ACLF的指紋圖譜
為尋找ACLF的血液代謝物指紋圖譜，計算了137種代謝物的AUC來評估每個代謝物區(qū)分ACLF與AD的準確性(圖3Ai)，得到的AUCs進行聚類分析，找到38個區(qū)分能力強且與ACLF顯著相關的代謝物(紫色條)，將38個特征代謝物與疾病的發(fā)展階段(從HS到CC、AD和ACLF)進行統(tǒng)計分析，38個特征代謝物的含量在疾病的不同階段逐漸增加，并在ACLF中達到最大值(圖3B)。百趣代謝組學文獻解讀，為進一步探討代謝物與ACLF等級（ACLF-1表示單腎衰竭或任何其他類型的單器官衰竭；ACLF-2表示2個器官衰竭；ACLF-3表示存在3至6個器官衰竭）的相關性，以評估代謝物在區(qū)分三個ACLF等級(1、2或3)與AD的準確性，圖3A(ii)顯示ACLF的三個ACLF等級時38個特征血液代謝物的AUC值均保持較高，說明不同ACLF等級的代謝物變化的相似性非常高。ACLF-1已經(jīng)存在血液代謝物指紋圖譜，表明ACLF-1明顯不同于AD；有14個特征代謝物的AUC在ACLF-1和ACLF-2中非常接近，且低于ACLF-3。38個特征代謝物的AUC從AD到ACLF-1明顯增加，在ACLF-1和ACLF-2之間趨于穩(wěn)定，在ACLF-3中進一步增加(圖3C)。結果表明，38個特征血液代謝物可以作為不同等級的ACLF的指紋圖譜來區(qū)分AD。

由于ACLF患者中腎衰竭的發(fā)生率較高，ACLF患者的血液代謝物指紋圖譜可能實際上反映了與腎衰竭相關的代謝物的變化。百趣代謝組學文獻解讀，為了解決這個問題，比較了3組（318例沒有任何器官衰竭的AD患者、105例僅腎功能衰竭患者和68例沒有腎功能衰竭的ACLF-2或ACLF-3患者）中ACLF的指紋圖譜的變化(圖3D)，僅腎功能衰竭組的特征代謝物顯著高于沒有任何器官功能衰竭的AD組，證實腎功能衰竭與代謝物指紋圖譜有關，無腎功能衰竭的ACLF-2或ACLF-3患者和僅腎功能衰竭的患者特征代謝物相似。因此，無腎衰竭的其它器官衰竭可能與ACLF血液代謝物指紋圖譜有關，不同器官衰竭之間也可能存在共同的代謝紊亂。
 

圖3 ACLF的血液代謝物指紋圖譜

3 ACLF血液代謝物指紋圖譜與全身炎癥相關
ACLF患者血漿中多種炎癥因子含量較AD患者顯著升高 (表1)，特別是兩個炎癥標志物腫瘤壞死因子α(TNF-α)和可溶性CD163, 表明全身炎癥與ACLF血液代謝物指紋圖譜變化存在密切聯(lián)系。

表1 ACLF中的炎癥因子變化

4 細菌感染和非感染的ACLF具有相似的血液代謝物指紋圖譜
膿毒癥是指由細菌感染引起的全身炎癥反應綜合征，一種急性全身炎癥的典型，已知膿毒癥會改變血液代謝。為研究細菌感染（膿毒癥）的ACLF患者(n=62)和無細菌感染的ACLF患者(n=117)的血液代謝物是否存在差異，分析了ACLF比AD的代謝物AUC，發(fā)現(xiàn)兩組患者的血液代謝物指紋圖譜非常相似(圖4)，表明無論是否存在細菌感染，ACLF的代謝狀態(tài)都是相似的。百趣代謝組學文獻解讀，值得注意的是，不屬于ACLF代謝物指紋圖譜的31種代謝物的AUC在患膿毒癥的ACLF高于不患膿毒癥的ACLF(黃色條，圖4)，可能也證實了有膿毒癥的ACLF患者相比其它類型的ACLF患者的全身炎癥反應更強烈這一事實。
 

圖4 有無細菌感染的ACLF的血液代謝物指紋圖譜

5 ACLF與葡萄糖代謝和線粒體β氧化相關
在ACLF患者中，葡萄糖代謝主要發(fā)生在胞漿內(nèi)，而不是在線粒體內(nèi)，葡萄糖-6-磷酸參與三條途徑：糖酵解、戊糖磷酸途徑和葡萄糖醛酸途徑。與健康人相比，全身炎癥的情況下，磷酸戊糖途徑中ACLF血液代謝物相對含量升高，如核酮糖-5-磷酸等；葡萄糖醛酸鹽途徑中ACLF血液指紋圖譜相關的代謝物相對含量增加，如葡萄糖醛酸等；糖酵解途徑代謝生成丙酮酸，丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A后進入線粒體參與TCA循環(huán)，乙酰輔酶A氧化產(chǎn)生的CO2是導致線粒體損傷及NADH、FADH2氧化供能減少的原因之一 (圖5) ，同時4-羥基-3-甲氧基苯乙二醇硫酸鹽升高表明交感神經(jīng)活性增加以促進糖酵解途徑。百趣代謝組學文獻解讀，系統(tǒng)性炎癥環(huán)境下葡萄糖優(yōu)先快速激活先天免疫細胞產(chǎn)生ATP，激活糖酵解引起乳酸積累,同時線粒體氧化磷酸化被抑制。ACLF代謝物指紋圖譜主要反映了先天免疫細胞中糖代謝和能量代謝的變化，表明ACLF中糖代謝和線粒體β氧化異常。
 

圖5 ACLF血液代謝物的代謝通路

6 ACLF與脂代謝和氨基酸代謝相關
酰基肉堿是不同長度的脂肪酸和肉堿連接，與健康人相比，全身炎癥的情況下, ACLF患者的短鏈和中鏈�；�肉堿含量升高(圖6B)。ACLF血液脂肪酰肉堿積累是線粒體β-氧化減少的一個標志，線粒體β-氧化減少促使FA分解代謝降低。TCA循環(huán)通過FAs的完全氧化比葡萄糖代謝產(chǎn)生更多的ATP，因此,在ACLF中抑制線粒體β氧化易導致線粒體能源供應急劇減少和器官衰竭。

與先前在急性全身炎癥中的發(fā)現(xiàn)一致，ACLF血液代謝物指紋圖譜中的氨基酸降解產(chǎn)物增加，如N6,N6,N6-trimethyl-L-lysine 等(圖6B) ，表明ACLF與蛋白質(zhì)水解代謝增加有關。ACLF具有和膿毒癥類似的導致器官衰竭的病理生理機制，PAMP誘導的急性全身炎癥會刺激下丘腦-垂體-腎上腺軸和交感神經(jīng)系統(tǒng)，激活糖原分解、蛋白質(zhì)水解和脂質(zhì)分解，強烈的分解代謝表現(xiàn)為FAs和氨基酸代謝產(chǎn)物的血液積累，這種協(xié)調(diào)的神經(jīng)體液反應的為高消耗的炎癥反應提供能量。百趣代謝組學文獻解讀，同時這些反應會產(chǎn)生具有生物學效應的衍生物，包括ROS、NO、CO和H2S等，這些改變可能與ACLF的許多并發(fā)癥（炎癥、免疫調(diào)節(jié)、血管擴張、神經(jīng)毒性和內(nèi)皮功能障礙）的病理生理機制有關。細胞因子引起的應激反應和ROS、NO、CO和H2S的變化是最初的效應因子，線粒體損傷是中間步驟，器官衰竭是最終的結果。
 

圖6 ACLF血液代謝物的代謝通路

百趣代謝組學文獻解讀，綜上所述，在ACLF中，強烈的全身炎癥與血液代謝物積累有關，這表明主要代謝途徑發(fā)生了顯著改變，尤其是線粒體功能障礙可能是ACLF的潛在機制。

百趣代謝組學幫劃重點：
大量AD和ACLF患者的血清進行代謝組學檢測，注釋的137個代謝物中100個在ACLF患者增加，38個代謝物組成了ACLF血液指紋圖譜。
ACLF指紋圖譜的相對含量與全身炎癥的強度相關。
ACLF的指紋圖譜與糖代謝、脂代謝和氨基酸代謝相關。
ACLF指紋圖譜表明線粒體β-氧化供能減少可能是導致器官衰竭的潛在機制。